DE1102308B

DE1102308B - Verfahren und Anlage zum induktiven Schmelzen von metallenen Abschmelzelektroden im Hochvakuum

Info

Publication number: DE1102308B
Application number: DEH37461A
Authority: DE
Inventors: Adrien Bussard; Helmut Gruber
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1959-09-18
Filing date: 1959-09-18
Publication date: 1961-03-16

Description

Verfahren und Anlage zum induktiven Schmelzen von metallenen Abschmelzelektroden im Hochvakuum Es ist bekannt, Abschmelzelektroden aus Metall im Hochvakuum induktiv abzuschmelzen. Wie in dem bekannten Verfahren beschrieben, baut sich aus dem induktiv @abgeschmodzenen Metall in einer wassergekühlten Rohrmuffel ein tropfsteinförmiger Ingote auf. Dieser Ingot eignet sich nicht zur mechanischen Weiterbearbeitung, da er nicht lunkerfrei ist und; zu große Inhomogenitäten aufweist. Um einen genügend homogenen und für die mechanische Bearbeitung geeigneten Ingot zu erhalten, war es daher erforderlich, den tropfsteinförmigen Ingot nochmals mittels Lichtbogen zu erschmelzen. Ein solches Verarbeitungsverfahren erfordert mithin neben einem umfangreichen apparativen Aufwand auch erhebliche Zeit. Er ist auf Grund; dessen weniger dazu geeignet, größere technische Metallmengen zu erschmelzen. Vom Energiestandpunkt aus gesehen ist das bekannte Schmelzverfahren insbesondere sehr unwirtschaftlich, da das Metall zweimal hintereinander vom abgekühlten Zustand auf Schmelztemperatur erhitzt werden muß.
Diese Nachteile des bekannten Verfahrens lassen sich erfindungsgemäß -dadurch vermeiden, daß das induktiv abgeschmolzene Metall im; gleichen Hochvakuumgefäß sogleich mittels Elektronenbombardeinent nochmals auf mindestens Schmelztemperatur erhitzt wird. Diese zusätzliche Erhitzung des geschmolzenen Metalls durch Elektronenbeschuß im Hochvakuum hat den Vorteil, daß der Ingot nicht nur frei von Lunker und sonstigen Inhomogenitäten, sondern das Metall darüber hinaus auch fast vollständig entgast wird. Da das abgeschmolzene Metall im Schmelzsee noch nicht völlig erkaltet ist, ist nur eine geringe Energiezufuhr notwendig, um es auf Schmelztemperatur oder etwas höher zu erhitzen.
Der Elektronenbeschuß des Ingots hat sich als zweckmäßigste Erhitzungsart erwiesen, da sowohl bei der induktiven als auch bei der widerstandsmäßigen Erhitzungsart der Tiegel, in den das geschmolzene Metall hineintropft, miterhitzt würde und so wertvolle Energie verlorenginge. Mittels einer geeignet gewählten Blendenanordnung lassen sich nämlich die aus der Kathode austretenden Elektronen so fokussieren, daß sie nur auf den Ingot auftreffen, also nur das geschmolzene Metall erhitzen. Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, daß die aus den abgeschmolzenen Metalltropfen während ihres Fallweges zwischen Abschmelzelektrode und Tiegel abdampfenden Elektronen ebenfalls in Richtung auf den Tiegel beschleunigt werden. Sie treffen dann rauf den Schmelzsee auf, geben ihre Energie an diesen ab und tragen somit zusätzlich zur Erhitzung des Schmelzsees bei.
Die Schmelzanlage ist mit einem entsprechend groß dimensionierten Vakuum-Pumpenaggregat zur Aufrechterhaltung des Hochvakuums während des Schmelzprozesses ausgerüstet, so daß die aus der Schmelze austretenden Gase schnell abgesaugt werden und keinen Anlaß zur Bildung einer Glimm- oder Bogenentladung geben können. Zur Reduzierung des Auftretens einer Glimm- oder Bogenentladung ist noch dadurch Vorsorge getroffen, daß die Elektronenquelle in genügend großem Abstand vom Tiegel angeordnet ist. Ebenso läßt sich der Einfluß des magnetischen Wechselfeldes der die Abschmelzelektrode umgebenden Induktionsheizspule auf die Elektronenquelle dadurch auf ein unwesentliches Maß herabsetzen, daß man die Induktionsheizspule mit einem Magnetjoch umgibt und den Abstand zwischen Induktionsheizspule und Elektronenquelle geeignet wählt.
An Hand der Zeichnung wird eine vorteilhafte Ausführung der Schmelzanlage und der Ablauf des Schmelzvorganges bei dieser Anlage beschrieben.
In die Ofenkammer 1 ist über Druckstufen 2 -übersichtshalbe ist nur eine Druckstufe dargestellt -die mittels der schematisch dargestellten Pumpen 3 und 4 evakuiert werden, die Elektrodenhaltestange 5 eingeführt. An dieser Elektrodenhaltestange 5 wird zunächst die Abschmelzelektrode6 befestigt und die Elektrodenhaltestange samt Abschmelzelektrode so weit in der Ofenkammer 1 hinaufgezogen, bis das untere Ende der Abschmelzelektro@de von der Induktionsheizspule 7 umschlossen wird. Dann wird über die Isolierstücke 8 der Tiegel 9 an die Ofenkammer 1 vakuumdicht angeflanscht.
Der Tiegel 9 wird mit Wasser gekühlt und ist zu diesem Zweck mit einer Kühleinrichtung 10 umgeben, die vorteilhafterweise mit einer aus nicht magnetisierbarem Material bestehenden Zwischenwand 11 ausgestattet ist, auf der eine .zur Konzentrierung der Elektronen und Umrührung -der Schmelze dienende Magnetspule 12 befestigt ist. Die wassergekühlte Bodenplatte 13 des Tiegels 9 wird von einem vakuumdicht in den Tiegel eingeführten Stempel 14 getragen, der mechanisch oder hydraulisch aufwärts oder abwärts bewegbar ist. Auf der Bodenplatte 13 ist ein Metallblock 15, der aus dem gleichen Metall wie die Abschmelzelektrode 6 besteht, angeordnet.
Die Ofenkammer wird mittels eines im einzelnen nicht näher dargestellten Hochvakuum-Pumpenaggregates 16 evakuiert. Das Pumpenaggregat 16 ist über den Absaugstutzen 17 mit der Ofenkammer 1 verbunden. Wenn der Druck in der Ofenkammer nun auf einen vorher bestimmten Wert abgesunken ist, wird die Induktionsheizspule 7 eingeschaltet und der Schmelzprozeß kann beginnen.
Die Induktionsheizspule 7 wird wassergekühlt und ist von einem gekühlten Magnetjoch 18 umgeben. Zwischen Induktionsheizspule 7 und Abschmelzelektrode 6 ist ein wassergekühlter Schirm 19 aus hitzeständigem elektrisch nicht oder sehr schlecht leitendem Material angeordnet, der auf der der Abschmelzelektrode zugewandten Seite mit einem hitzebeständigen, Wärmestrahlen reflektierenden Metall verspiegelt ist. Vorteilhafterweise wird der Schirm 19 an,den beiden Enden des Magnetjoches 18 befestigt.
Die Abschmelzelektrode 6 wird kontinuierlich in die Induktionsheizspule 7 eingeschoben und dort abgeschmolzen. Das abgeschmolzene Metall tropft in den Tiegel 9 auf den Metallblock 15 und bildet den Schmelzsee 20. Gleichzeitig mit dem Einschalten der Induktionsheizspule 7 wird die ringförmige Kathode 21, die von einer Fokussiereinrichtung22 mit zentraler Öffnung umgeben ist, mit Strom versorgt und an den Tiegel 9 positives Potential gelegt. Die Ringkathode 21 wird auf einem gegenüber dem Tiegelpotential wesentlich negativeren Potential gehaltert, so daß die aus dir Kathode austretenden Elektronen in Richtung auf den Tiegel stark beschleunigt werden. Die Fokussierungseinrichtung 22 wird ebenfalls auf negatives Potential gelegt, das entweder gleich dem der Kathode öder negativer als dieses ist. Durch .die gewählte Potentialverteilung wird einerseits vermieden, daß Elektronen auf den Tiegel 9 gelangen und ihn erhitzen, andererseits können die aus dem Metalltropfen 23 abdampfenden Elektronen ebenfalls zur Erhitzung der Schmelze noch zusätzlich ausgenutzt werden.
Entsprechend der abgeschmolzenen Metallmenge wird der Stempel 14 abwärts bewegt, so daß sich die Oberfläche des Schmelzsees 20 stets in etwa gleicher Höhe und somit im gleichen Abstand von der Kathode 21 befindet.
Die Irnduktionsheizspule 7 und das Magnetjoch 18 werden mittels der Tragrohre 24 gehaltert. Diese Tragrohre sind elektrisch isoliert und vakuumdicht in die Ofenkammer 1 eingeführt; sie :dienen gleichzeitig zur Strom- und Kühlwasserzufuhr für die Induktionsheizvorrichtung. Die ringförmige Kathade 21 wird ebenfalls elektrisch isoliert und vakuumdicht seitlich durch eine Wand der Ofenkammer 1 in diese eingeführt.
Die beschriebene Schmelzanlage stellt nur ein Ausführungsbeispiel dar, auf das die Erfindung nicht beschränkt werden soll. So ist es beispielsweise möglich, als Elektronenquelle an Stelle der Ringkathade Elektronengeneratoren zu verwenden.
Mit der erfindungsgemäßen Schmelzanlage lassen sich nicht nur die Kosten für -das Hochvakuumschmelzen von Metall wesentlich herabsetzen, sondern auch Blöcke von hoher Reinheit, Duktilität und Homogenität gewinnen. Die Schmelzanlage eignet sich insbesondere zum Erschmelzen von beispielsweise Titan, Zirkon, Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum induktiven Schmelzen von Abschmelzelektroden aus Metall, insbesondere von Abschmelzelektroden aus Titan, Zirkon, Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram, im Hochvakuum, dadurch gekennzeichnet, daß das induktiv abgeschmolzene Metall im gleichen Hochvakuumgefäß sogleich mittels Elektronenbombardement nochmals auf mindestens Schmelztemperatur erhitzt wird.
2. Hochvakuumschmelzanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination einer Induktionsheizspule zum Erschmelzen einer Abschmelzelektrode mit einer Elektronenquelle zum sogleich anschließenden Erhitzen des Schmelzsees durch Elektronenbombardement.
3. Hochvakuumschmelzanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektronenquelle eine Glühkathodenanordnung, insbesondere mit ringförmiger Glühkathode, eingesetzt ist.
4. Hochvakuumschmelzanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle zur Lieferung der Elektronen zum Erhitzen des Schmelzsees ein Elektronengenerator oder mehrere Elektronengeneratoren eingesetzt sind.